MJO對我國南海冬季風異常的影響

周群，黃煥卿

（國家海洋環境預報中心，北京100081）

MJO對我國南海冬季風異常的影響

周群，黃煥卿

（國家海洋環境預報中心，北京100081）

摘要：利用長時間的逐日再分析資料和澳大利亞氣象局提供的MJO指數，研究了MJO對我國南海冬季風異常的影響和過程。結果表明，隨著MJO的對流中心從西印度洋進入西太平洋，南海海面風場出現偏南風-東北風-偏南風異常的振蕩現象，表明南海冬季風階段性的間斷和活躍，最明顯的偏南風異常和東北風異常分別位于MJO第8—2位相和第5—6位相。通過合成MJO各位相下500 hPa東亞大槽異常和200 hPa東亞急流異常，我們進一步證實南海冬季風活躍期（MJO第5—6位相），東亞大槽加深，高空急流加強，我國華南沿海上空的反氣旋式環流異常，東南邊緣的引導氣流利于冷空氣南下直達南海。相反，在南海冬季風間斷期（MJO第8—2位相），東亞大槽和高空急流均減弱，不利于冷空氣的南下。對200 hPa垂直速度的分析表明，MJO深對流活動的東移，調整東亞局地Hadley環流異常，在高空表現為反氣旋/氣旋式環流異常交替發展東移，最終消失在北太平洋地區。一方面通過科氏力的作用，引起東亞高空急流的異常，進而影響東亞大槽的位置和強度，從而影響冷空氣的南下；另一方面直接加劇南海海面風場異常的南北向振蕩。因此，在做南海冬季風季內變化特別是大風天氣過程的延伸期預報時，熱帶MJO活動可以作為一個重要因子考慮在內。

關鍵詞：MJO；東亞大槽；南海冬季風；延伸期預報

1　　引言

早在20世紀70年代，Madden等就發現赤道附近地區的風場及其異常變化存在明顯的40—50 d周期的振蕩［1］。此后，這種熱帶地區的季節內振蕩現象被命名為MJO（Madden-Julian Oscillation）。MJO表現為熱帶對流活動從印度洋沿赤道的向東傳播，其基本活動規律已經被揭示的較為清楚［2］。大量的診斷分析表明，MJO活動通過對流異常的強迫和遙相關，在不同的傳播位相可以對全球的天氣氣候產生重要影響［3-5］。有關MJO對東亞天氣氣候的影響方面，已有一些研究指出東亞季風的爆發及異常、東亞不同季節的區域性降水等對MJO活動都存在明顯的響應［6-8］。

南海是西北太平洋邊緣海之一，其周圍被大陸和島嶼環抱，屬典型的季風氣候，每年11月至次年3月盛行東北風。冬季由于冷空氣頻繁影響，大大加強了南海海面風力，由于海上大風引起的惡劣海況對船舶航行和海上作業的安全造成嚴重影響［9］。然而，冬季風環流也不是穩定的，會經歷季節內變化過程，即有冬季風的活躍期和中斷期。一般比較弱的冷空氣很難影響到南海南部，而強冷空氣侵入低緯地區能造成海洋大陸附近的深對流降水，水汽凝結釋放潛熱，成為大氣環流的主要熱源。這一熱源反過來將通過影響中緯度的東亞西風急流的強度和位置，形成中緯度-低緯度地區強烈的相互作用［10］。

在揭示MJO活動顯著影響東亞冬季風時，一些研究強調了中高緯地區低層溫度平流的關鍵作用［4］，當MJO的對流中心位于印度洋時，易發生大規模的寒流。最近的研究也指出，此時在低緯地區對流層低層的異常南風作用下，有充沛的經向水汽輸送，我國東南部地區降水明顯增多［11］，從而證實了MJO活動對于我國冬季持續性冰凍雨雪天氣等的重要作用［12-13］。由以上的回顧不難發現，同是MJO傳播至印度洋，高、低緯度地區低層風場響應截然不同。由于南海特殊的地理環境，那么伴隨熱帶MJO向東傳播，冬季南海的海面風場會有怎樣的響應，之前的研究尚未涉及。

眾所周知，當前氣象部門開展的預報業務主要包括10 d以內的中短期天氣預報以及30 d以上的月、季、年尺度的長期趨勢預報。而10—30 d時間尺度的天氣過程預報（即延伸期預報）作為天氣預報和氣候預測銜接的時間縫隙，是迄今尚未解決的重要問題之一。目前MJO的預報時效為15—20 d，比中短期高頻天氣擾動具有更長的可預報性，因而是改進延伸期預報的重要途徑［14］。冬季南海的東北季風風向比較穩定，能否利用MJO活動的變化為南海的海上大風過程（也即風力）提供預報，不僅是亟待解決的科學問題，也具有很高的業務應用價值。為此，本文首先將分析熱帶MJO傳播的基本特征及其對南海冬季風季內變化的影響，在此基礎上從對流層高、低層環流異常的角度分析與之相關的物理過程，以期為冬季南海海面大風過程的延伸期預報帶來幫助。

2　　資料與方法

本文所使用的數據資料主要是歐洲中期數值預報中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）提供的自1979年1月至今的逐日再分析資料ERA-Interim，空間分辨率為0.75°× 0.75°，時間分辨率為每6 h一次。所用的變量包括：位勢高度場、10 m高度經向風場和緯向風場、垂直速度場、降水場等資料，以便描述和計算冬季大氣環流的異常情況。季節的劃分按慣例將12月和次年1、2月劃為冬季。

本文使用的MJO指數為Wheeler等［15］提出的實時復MJO指數（Real-time Multivariate MJO Series，RMM），該指數已被廣泛應用于業務及科研工作中。它是將實時多變量的復合場進行EOF分析，然后將逐日觀測資料投影到EOF 1與EOF 2上，再去掉年循環以及年內變化量，得到隨MJO變化而變化的時間指數，分別被稱為RMM 1和RMM 2。根據RMM 1和RMM 2所確定的位相分布圖，將MJO對流從印度洋向太平洋的東傳依次定義為位相1—8。這樣根據不同的位相，就可以大致判斷MJO對流強中心的位置。同時，MJO的振幅可以表征其強度，定義強度小于1（RMM12+RMM22＜1）為弱的MJO，表示MJO的信號不顯著。一般來說，研究MJO的天氣、氣候效應不考慮分析弱的MJO部分，本文也沿用這一做法，只分析強的MJO部分（也即RMM12+RMM22≥1的部分）。該指數資料起始時間為1974年6月1日。

本文選用1979年12月1日—2014年2月28日間共計35個冬季的資料進行統計分析，采用的方法主要是合成分析，并利用t檢驗來驗證其顯著性。首先將逐日的環流資料減去逐日的氣候平均（取1980/81—2009/10年平均作為氣候態）得到矩平，然后根據MJO指數劃分所屬位相，分別合成各位相下的大氣環流異常情況，得到各氣象要素對MJO活動的響應。

3　MJO傳播的基本特征

以往的研究表明，MJO作為熱帶大氣季節內振蕩最主要的成員之一，主要特征表現為大尺度的熱帶深對流異常的向東傳播，始于印度洋途徑印度尼西亞等地區進入西太平洋，在日界線附近消失［7-8］。圖1是利用MJO指數合成的各位相的降水異常及700 hPa垂直速度異常的分布。一般來說，低層對流強盛（700 hPa垂直速度為負）則對應該區域降水偏多。從圖1中可以看到，降水異常與垂直速度的異常分布基本吻合，均表現為從第1位相到第8位相，MJO強對流從西印度洋逐漸向東印度洋、海洋大陸以及太平洋傳播，且進入第5位相后，也即對流中心移動到南海海域后，分為南北兩個中心，其中北邊的中心位于南海中南部海域，南邊的中心位于10°S附近，兩個對流中心分別向東繼續移動至第8位相到達日界線附近并逐漸消亡。這些特征與前人對MJO生命循環過程的描述相一致［2，7-8，14］。

圖1　　基于MJO位相合成的冬季700 hPa垂直速度（陰影，單位：10-2Pa/s）及降水異常（等值線，間隔：10-1mm/d）

4　MJO對冬季南海面風場異常的影響

東亞冬季風最明顯的表面特征是沿西伯利亞高壓東邊緣的強勁西北風。它在日本南部分為兩支，一支折向東進入副熱帶中西部太平洋；另一支沿著東亞沿岸進入中國南海。圖2是冬季氣候態的逐日平均海面10 m高處風場分布，可見我國南海冬季海面風向以東北向為主，這是由于冬季西太平洋副熱帶高壓南撤并減弱，冷空氣在南海活動頻繁所致。同時，南海東北部和西南部海面的風力相對較大，這可能與臺灣海峽的狹管效應及南海中南部氣壓梯度長時間維持有關。由于冷空氣路徑和強度復雜多變，強冷空氣影響南海時，風大浪高，持續時間長，影響范圍廣，因此要做好南海東北大風過程的預測預報必須掌握強冷空氣的季內變化規律。

圖3是南海冬季表面風場異常與MJO位相變化的關系，很顯然在MJO的第8—2位相（對流中心位于西印度洋時）南海海域為偏南風異常，表明南海風力減弱，影響南海的冷空氣相對不活躍，也即東北季風階段性減弱。相反，在MJO的第5—6位相（對流中心位于菲律賓和海洋大陸時）南海海域為較強的東北風異常，表明南海風力增強，影響南海的冷空氣相對活躍，也即東北季風階段性增強。所以，冬季MJO對流活動位相對南海風力大小存在明顯的調制作用，這對于把握南海海域冬季大風天氣過程是有幫助的。

圖2　　氣候態（取1980/81—2009/10年平均）冬季逐日平均的海面10 m高度風場（m/s）分布

5　　大氣環流及影響途徑分析

為了揭示MJO活動如何影響南海冬季風振蕩的機理，本節主要通過位相合成和對比分析指出MJO傳播的不同階段500 hPa位勢高度場異常、200 hPa緯向風及垂直速度異常等特征，從而得到熱帶MJO影響冬季南海海面風力變化的物理過程及途徑。

東亞冬季風在500 hPa的顯著特征是以日本所在經度為中心的廣闊的大槽，在200 hPa主要表現為東亞急流，其最大值位于日本東南部［9］。圖4給出了對應MJO傳播的各個位相東亞冬季高空環流異常形勢。可以看到，對應MJO的第1—2位相，日本上空是一個位勢高度的正異常，表明東亞大槽變淺；對應MJO的第3—4位相，覆蓋整個東亞大陸上空的位勢高度負異常不斷東移出海，同時中緯度20°—50°N之間的西北太平洋洋面上的正異常中心整體向東移動，表明此階段東亞大槽逐漸加深；對應MJO的第5—6位相，日本上空基本為負異常控制，而我國南方地區重新被正異常占據，表明此時東亞大槽進一步加深；至MJO的第7—8位相，位于160°E，40°N的位勢高度負異常迅速東移至阿留申群島附近，50°N以南的東亞大陸上的位勢高度正異常進一步發展。值得注意的一點是，MJO第5位相下，東亞大陸的高空反氣旋式環流位置明顯偏南，中心位于我國華南沿海地區，受其東南側的東北氣流影響，有利于冷空氣南下侵入低緯地區，這與此時南海出現的東北風異常相吻合（見圖3）。至MJO第6位相，冷高壓變性入海，但南海中南部仍可能維持較大的氣壓梯度，因此易于出現持續性大風天氣［16］。

圖3基于MJO位相合成的冬季海面10 m高度風場（m/s）異常分布

圖4 基于MJO位相合成的冬季200 hPa緯向風（陰影，單位：m/s）異常及500 hPa位勢高度

圖5 基于MJO位相合成的200 hPa垂直速度（10-2Pa/s）異常

上述MJO對東亞冬季大氣環流的影響在200 hPa高空急流的異常分布上也可以得到驗證（見圖4）。在MJO活動的第8—2位相，中心位于日本南部的東亞急流明顯減弱，對應冬季風偏弱；在MJO活動的第4—6位相，急流則明顯加強，對應冬季風偏強。位相3和7為轉換位相。這與隨MJO變化的500 hPa東亞大槽異常相一致，均表明東亞冬季風的階段性活躍和間歇。那么，中緯度高空環流異常交替發展東移與低緯度MJO活動的向東傳播有怎樣的必然聯系？它與表征東亞冬季風的大槽和急流變異的關系又是怎樣的呢？

為了進一步了解造成高空環流異常的原因，我們對200 hPa上的垂直速度按MJO各位相合成進行診斷分析。圖5結果顯示，在東亞地區存在以15°N為界的南北相反的垂直速度異常中心，可以用來表征經向Haley環流異常。對應MJO的前4個位相（后4個位相），MJO對流中心位于印度洋（MJO對流中心位于南海及西太平洋），菲律賓及海洋大陸地區高層主要表現為異常的下沉（上升），東亞局地Hadley環流減弱（加強），對應我國南方地區為異常的上升（下沉）氣流控制。事實上，MJO的深對流所引起的上升運動足以達到對流層上層，這里的結果強調了MJO不斷東傳能顯著改變東亞地區經向Hadley環流，這是MJO影響中緯度高空環流異常的重要途徑。

與此同時，伴隨MJO位相發展，位于20°—40°N之間東亞大陸上空的垂直速度負異常中心（正異常中心）不斷向東移動并逐漸減弱，最終消失在北太平洋地區（見圖5）。故在對流層高層，東亞局地Hadley環流的高空回流通過科氏力的作用，產生緯向風力矩，能引起200 hPa東亞急流強度和位置的改變，進一步影響500 hPa東亞大槽的變化，從而對東亞冬季風變異、冷空氣的爆發及路徑進行調制。此外，在對流層低層，經向Hadley環流的減弱和加強可以直接造成南海海面風場異常的南北向振蕩。因此，在高、低層環流異常的共同作用下，MJO 第5—6位相（第8—2位相）時，南海冬季風偏強（偏弱），風力增大（減小），而東亞局地Hadley環流異常則是溝通熱帶MJO深對流活動與冬季風異常的重要橋梁。

6　　結論

通過對診斷資料的統計分析，本文研究了MJO對中國南海冬季風異常的調制以及相關的物理過程。得到如下一些主要結論：

（1）熱帶MJO活動對冬季南海海面風場異常存在顯著調制作用，當MJO處于第5—6位相，也即對流中心位于菲律賓及海洋大陸地區時，南海出現東北風異常，冬季風加強。由于南海冬季盛行東北風，所以對應此時南海風力加大，冷空氣造成的南海大風天氣也較多。而在其他位相則基本不利于南海冬季風的增強，其中MJO第8—2位相時偏南風響應最為明顯，表明此時冬季風偏弱；

（2）對MJO各位相下的環流異常的合成分析顯示，隨著MJO位相發展，中緯度地區高空表現為氣旋式/反氣旋式環流異常相間并不斷東移，導致在第7—2（第3—6）位相，日本上空500 hPa為位勢高度正（負）異常覆蓋，東亞大槽減弱（增強），200 hPa東亞急流減弱（增強）。特別是MJO第5位相，位于東亞大陸的反氣旋式環流異常位置明顯偏南，中心位于我國華南沿海地區，受其東南側氣流影響，利于冷空氣侵入南海。隨后，較大氣壓梯度在南海中南部維持，易造成大范圍持續性大風過程［16］。因此，中緯度高空環流異常隨MJO活動的變化，可以很好地解釋南海冬季風的季內振蕩現象；

（3）進一步分析表明，MJO作為熱帶地區的深對流活動沿緯向從西印度洋移向北太平洋，在經向上能夠引起東亞地區局地Hadley環流的異常響應，從而在我國南方地區200 hPa高空交替形成輻散/輻合中心發展東移，最終消失在北太平洋地區。一方面，引起科氏力異常，調整東亞急流的位置和強度，繼而影響東亞大槽異常。另一方面，直接造成南海海面風場異常的南北向變化。所以，與局地Hadley環流相聯系的對流層高、低層環流的共同配合，是導致南海冬季風出現活躍和中斷的主要原因。

需要說明的是，本研究只是從統計角度出發分析了MJO位相發展對南海冬季風異常的影響，并試圖從東亞地區環流異常的響應給出合理的解釋。進一步的研究還需要利用數值模擬試驗加以驗證。鑒于目前熱帶MJO可預報性已達到15—20 d，今后有必要加強MJO活動影響我國近海天氣氣候及相關機制的研究，為提高海洋氣象預測預報能力，特別是10—30 d延伸期預報水平提供一定依據。

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中圖分類號：P425.4+2

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0239（2016）03-0009-09

DOI：10.11737/j.issn.1003-0239.2016.03.002

收稿日期：2015-08-28

基金項目：國家海洋局極地專項《南極周邊海域氣象環境綜合分析與評價》（CHINAER 2013-04-01）；國家海洋局極地專項《北極地區環境與資源潛力綜合評估》（CHINARE 2014-04-03）。

作者簡介：周群（1986-），女，工程師，博士，主要從事氣候動力學及季風動力學方面的研究。E-mail:zhouqun1224@163.com由于南海的風時風區較長，強冷空氣造成的大風大浪持續的時間也特別長，是冬季影響南海的最主要的災害性天氣系統。因此，認清冬季風的季節內振蕩及相關的機制，是做好南海冬季氣象保障工作的重要環節。

Impact of the Madden-Julian oscillation on winter monsoon anomaly over the South China Sea

ZHOU Qun，HUANG Huan-qing
（National Center for Marine Environment Forecast，Beijing 100081 China）

Abstract：Based on the long-term daily reanalysis data set as well as the real-time multivariate MJO index from the Bureau of Meteorology of Australia，the influences of the MJO on winter monsoon anomalies in South China Sea（SCS）are investigated.The results show that the wintertime surface wind anomaly over the SCS shows south-northeast-south wind pattern variations as the convection centre of MJO moves from the Indian Ocean to the western Pacific.This indicates the enhancement and suppression of the winter monsoon and the most remarkable south and north wind anomalies appear in phase 8—2 and phase 5—6，respectively.Composite results further demonstrate the East Asian trough at 500 hPa and the 200 hPa westerly jet associated to the East Asian local Hadley circulation anomalies can be contributed to the intra-seasonal oscillations of the South China Sea winter monsoon.Therefore，tropical MJO could be taken as an important factor in extended-range forecast of the monsoon anomalies especially the gale wind over the SCS during the winter.

Key words：MJO；EastAsian trough；South China Sea winter monsoon；extended-range forecast